[發(fā)明專利]TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410089147.2
• 申請(qǐng)日: 2014-03-12
• 公開（公告）號(hào): CN103952672B
• 公開（公告）日: 2016-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喻利花;許俊華;黃婷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/34
• 分類號(hào): C23C14/34;C23C14/06;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法，屬于陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，特別是高速、干式切削等加工方式的出現(xiàn)，要求應(yīng)用于刀具的涂層具有更高的硬度，并兼具優(yōu)良的摩擦磨損性能。然而，現(xiàn)有的刀具涂層雖然具有較高硬度，但它們的摩擦磨損性能都不理想，無(wú)法滿足要求。氮化鉭(TaN)薄膜具有高熔點(diǎn)、高導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，可廣泛用于集成電路構(gòu)件、薄膜電阻器等中。濺射法制備的TaN薄膜硬度高達(dá)到22GPa，但其摩擦系數(shù)較高，約為0.7，與現(xiàn)代加工技術(shù)所要求的高硬度耐磨涂層如TiN相比，TaN薄膜摩擦磨損性能較差，因而市場(chǎng)上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二元的TaN薄膜用作切削刀具的保護(hù)涂層。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法，克服現(xiàn)有TaN系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及多層膜摩擦磨損性能不理想等缺點(diǎn)，具有較高生產(chǎn)效率，兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ta(C，N)，厚度在1-3μm，當(dāng)Ta靶功率為100W，C靶功率大于50W時(shí)，薄膜中形成了非晶C和CNx。

一種TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，利用雙靶共焦射頻反應(yīng)法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，沉積時(shí)，真空度優(yōu)于3.0×10^-3Pa,以氬氣起弧，氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體進(jìn)行沉積，濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10:（2-5），Ta靶濺射功率80-150W，C靶濺射功率0-120W較佳。當(dāng)Ta靶濺射功率100W，C靶濺射功率0～80W，較佳為20-80W，更佳40-60W，最佳為50W，當(dāng)C靶功率為50W時(shí)，薄膜的硬度高達(dá)29.6GPa，干切削實(shí)驗(yàn)下，摩擦系數(shù)和磨損率為0.35和4.23×10^-7mm²/N。

前述的TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，在基體上預(yù)先沉積純Ta作為過(guò)渡層。

本發(fā)明的TaCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜是采用高純Ta靶和C靶共焦射頻反應(yīng)濺射，沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到的，薄膜厚度在1-3μm，濺射反應(yīng)過(guò)程中，C靶功率在0W～80W之間，當(dāng)C靶功率為50W時(shí)，薄膜的硬度高達(dá)29.6GPa，干切削實(shí)驗(yàn)下，摩擦系數(shù)和磨損率為0.35和4.23×10^-7mm²/N，這種硬質(zhì)涂層綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明不同C靶功率TaCN薄膜的紅外光譜；Ta靶濺射功率100W，C靶功率大于50W時(shí)，在1400cm^-1～1600cm^-1之間出現(xiàn)了石墨相吸收峰；在2250cm^-1附近出現(xiàn)了C≡N吸收峰(所以，本發(fā)明根據(jù)薄膜的主要成分C、N、Ta，命名為碳氮化鉭TaCN)；

圖2為本發(fā)明TaCN薄膜硬度（GPa）與C靶功率（W）的變化關(guān)系；隨C靶功率的增加，薄膜的顯微硬度顯著升高，當(dāng)C靶功率為50W時(shí)，硬度最高為29.6GPa，C靶功率大于50W時(shí)，隨著C靶功率提高，薄膜的顯微硬度逐漸下降；

圖3為本發(fā)明TaCN薄膜干切削實(shí)驗(yàn)下平均摩擦系數(shù)及磨損率與C靶功率的變化關(guān)系，可見(jiàn)，TaCN薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率隨C靶功率的增加而減小，當(dāng)C靶功率為50W時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損率為0.35和4.23×10^-7mm²/N。

具體實(shí)施方法

本發(fā)明的制備方法，具體如下：